基于智慧互联的3D 全景校园漫游技术实例研究

一、3D 全景校园漫游技术的特点

3D 校园全景漫游是由摄影衍生出来的一种技术, 它利用无人机和全景相机拍摄实景图像，通过多种数据处理手段配合计算机技术完成对现实生活场景的抽象模拟化建构，形成数学三维模型，实现 3D 校园全景漫游的技术。因此，观看者可以在手机或个人电脑上进行浏览 ,实现水平 360^∘ 与垂直 360^∘ 浏览 , 还可以任意调整距离远近 , 使观看者仿佛置身真实的环境之中 , 填补了平面效果图，因此，3D 校园全景漫游可以实现线上 360^∘ 旋转实景展示，场景 720^∘ °无视觉死角进行虚拟漫游，全方位的展示校园环境和学校特色工作室。三维全景图像大多是源自于对真实场景的拍摄捕捉，并经过了特殊的透视处理，最大限度的保留了场景的真实性，立体感、沉浸感强，漫游其中犹如身临其境校园之中。

针对这样的技术特点，结合后期 PTGui 处理，在前期拍摄时要注意：（1）要注意拍摄的时候用固定焦段。原因在于使各片所获得物体成像比例相同，PTGui 将根据人工指定的或第一张片的 Exif 信息确定焦段和机型，来正确计算透视关系；若要将不同焦段的照片合为一体，也可以实现，但后期处理将会非常繁杂，需要人工将相关照片按指定焦段进行折算和加工后，才会让程序完成自动对接控制。（2）要时刻观察曝光情况。由于场景大，各处的光照情况差别巨大，而且相机本身的宽容度有限，因此需要根据场景光照情况，可以采用固定曝光或自动曝光 + 包围曝光的方法，实现场景总体不过曝、不欠曝。 （3）拍摄的时候要注意光圈。光圈越小景深越深，场景清晰范围越广，不同光圈的景深不同，场景清晰范围不同，从便于操作、减轻景深的计算看，固定光圈是最容易的做法。

二、3D 全景校园漫游技术的实例分析

在学校的 3D 全景校园漫游制作过程中，要重视前期的全景拍摄工作，并理清 3D 全景校园漫游制作的总体思路，即全景拍摄使用的是一台具有1200 万像素的超高清机载相机的智能旋翼无人机，无人机航拍获取的视频用来实现学校的全景地图, 了解 3D 校园全景漫游中无人机的拍摄流程、通过 PTGui 对图片进行合成拼接、修补图像以及完成全景图的应用技术。

为确保安全飞行 , 在航拍之前 , 需要对飞行器进行调试。 选择符合起飞条件时间、地点、天气。 对相机的拍摄参数包括曝光量、IS 感光度、场景模式和白平衡条件等进行试拍调整 , 调整拍摄参数到合适为止, 调整完成后锁定参数从而保证在整个拍摄过程中参数不会改变。在空中将无人机悬停在合适位置后 , 即可开始拍摄。整个过程中无人机处于悬停状态 , 需要拍摄三到四 圈。第一圈 : 将云台上仰 30^∘ , 旋转无人机镜头, 每转 动 30^∘ 拍摄一次, 共采集8-10 张照片。 第一圈完成之后转回到拍摄第一张照片的位置开始拍摄第二圈 ; 第二圈保证相机视线方向与与重心方向垂直,每转动 45^∘ °拍摄一次,拍摄照片数为6-8张 ; 第三圈需将镜头角度向下旋转 45^∘ , 每转动 60^∘ 拍摄一次 , 拍摄照 片数为8 张, 再向竖直向下正对地面拍摄2 张。

为了使采集到的影像接近现实 , 更符合人眼观赏的需求 , 所以需要经过预处理, 通过 Photoshop 软件调节亮度、饱和度、对比度等还原影像的真实色彩 , 让影像更贴近实际场景。目前应用较多的一款全景影像拼接软件是PTGui, 可快捷方便地制作出炫目的全景图片。

在使用这款软件制作3D 全景校园漫游时，具体有三个步骤：

第一，要按影像顺序加载所有无人机拍摄的影像 , 在相机 / 镜头参数中设置镜头类型为 “普通镜头”, 点击对准图像。

第二，在对准完成后 , 对相互重叠。 冗余较多的个别影像进行删除 , 部分影像因建筑天际线不统一、影像画面中天空占比 较大等原因 ,可能出现相邻影像控制点无法自动 匹配的情况 , 这时需要进入控制点版面添加控制点 , 人工手动找寻同名控制点 , 再进行自动匹配更多控制点, 使图片更加准确地进行拼接。

第三，选择“优化全景图”工具 , 进行优化并创建全景图 ; 对全景图 进行编辑时 , 在“全景编辑器”中调整图片的水平和中心点位置 ,进入蒙板界面 , 在“蒙板”里 , 用红色来抹掉不需要的地方 , 蓝色保留不变的地方 , 并在“优 化器”里进行视点校正 , 最后点击“创建全景图”, 导出 jpg 格式。当通过 PTGui 合成的全景图像残缺不 整 , 明暗不一时 , 需要借助Photoshop 对其进行修改 完善 , 运用仿制图章、曲线等工具修补残缺、调整光线等缺陷。

当拼接完成后 , 需对矩形全景图的天空用 Photoshop 来进行修补。首先利用扭曲工具 , 将平面的影像转换为极坐标模式 , 这时天空就成了一个闭合的 区域 , 再结合地面上拍摄的天空影像进行修补, 将天 空补充完整 , 将补好天空的影像从极坐标再转换为 平面坐标模式。 调整亮度、饱和度、对比度等 , 可以使全景图的清晰度、色彩等达到最佳状态。

最后对影像进行细节检查 , 首先找出影像输出的六面体单片 , 并放大 , 这样便于对影像做仔细检查 , 主要检查线状地物是否有错位、移动的车辆和行人重影等问题 , 对有问题的地方 , 逐一加以修改。 最后对全景图最左和最右的接边进行检查 , 可通过拼接六面体单片的形式 ,也可用将全景图旋转 180^∘ 后利用极坐标与平面坐标的转换的方式来实现。

三、3D 全景校园漫游技术的应用展望

随着智慧校园的深入，3D 全景校园漫游将会在越来越多的学校使用，这种利用无人机航拍获取的视频用来实现学校的全景地图 , 通过 PTGui 对图片进行合成拼接、修补图像以及完成全景图的 3D 全景校园漫游应用技术，将现实中学校的教学环境和校园的三维景观利用先进的技术在计算机中虚拟的再现出来，让观看者仿佛置身于虚拟校园环境之中，通过智慧互联就能看到校园的一个全三维的逼真的校园环境，智慧可视，将值得智慧校园技术工作者进一步的深入开发。

参考文献

[1] 钟伟雄， 韦凤， 邹仁等. 无人机概论 [M]. 北京： 清华大学出版社， 2019.

[2] 伊沃·马尔诺 . 无人机航拍手册 [M]. 北京：人民邮电出版社，2017.

[3] 胡文超，陈童 . 项目教学与产教融合平台建设的互动关系研究［J］. 高等工程教育研究，2016（6）：118-121.